Google создала первый кристалл времени из кубитов | Наука

Исследователи из Google вместе с учёными из Принстона, Стэнфорда и других университетов 28 июля 2021 года онлайн опубликовали предварительный вариант научной статьи, в которой описали создание кристалла времени внутри квантового компьютера. Один из авторов статьи отметил, что созданный кристалл времени имеет «поразительное свойство — он словно уклоняется от второго начала термодинамики».

Что такое кристаллы времени?

Идею кристаллов времени (time crystal) предложил американский физик Фрэнк Вильчек в 2012 году по аналогии с обычными, «пространственными» кристаллами. Обычные кристаллы вроде поваренной соли, алмазов, льда — это структуры, чей «рисунок» периодически повторяется в пространстве в виде группы атомов или молекул. Также их фазы находятся в тепловом равновесии: составляющие их атомы переходят в состояние с наименьшей энергией, допустимой при температуре окружающей среды, и их свойства не меняются со временем.

Кристалл времени же расширяет определение того, что такое фазовое состояние. Он является первой «неравновесной» фазой: обладает порядком и совершенной стабильностью, несмотря на то, что находится в возбуждённом и эволюционирующем состоянии.

Кроме второго закона термодинамики, кристалл времени нарушает симметрию обращения времени или Т-симметрию — это математическое преобразование в физике, при котором обращается знак переменной времени t. Гипотеза состоит в том, что законы физики не изменяются в ходе такого обращения, то есть остаются неизменными в прошлом и будущем. Все массы и заряды, а также остальные константы, не связанные со слабым взаимодействием, тоже обладают симметрией при обращении времени. Но кристалл времени испытывает периодическое движение, возвращаясь к своей начальной конфигурации через регулярные промежутки времени.

Более того, кристалл времени может «игнорировать» приток энергии извне, как бы подстраивая его под себя. Например, если он меняет своё состояние каждые 20 секунд и на него светят лазером каждые 10 секунд — кристалл времени будет реагировать на лазер каждые 20 секунд или даже каждые 40 секунд. Словно желе, которое вздрагивает в ответ на каждый второй или каждый четвёртый «тычок», а не на все подряд, как подобает нормальному желе.

Проверка теории на «прочность»

Сначала учёные посчитали это слишком фантастичным и стали публиковать работы, в которых доказывали невозможность существования кристаллов времени. Но вскоре в их доказательствах нашли слабые места, а в 2016 году учёные впервые получили кристалл времени на практике — в виде кольца из ионов иттербия, охлажденных почти до абсолютного нуля.

Кристаллы времени удалось создать и в 2017 году двум независимым группам учёных — впрочем, все они лишь частично соответствовали необходимым критериям. Тогда как исследователи из Google, предположительно, создали первый полноценный кристалл времени: множество частиц внутри их квантового компьютера периодически и согласованно меняли состояние без потребления энергии.

Что темпоральные кристаллы могут дать человечеству?

Физики сходятся во мнении, что кристаллы времени всё же не нарушают законов термодинамики — их энергия не меняется, а изменение состояния не совершает никакой работы. Частицы кристалла времени, по сути, не двигаются — поэтому к нему нельзя подключить какой-либо механизм и получить вечный двигатель.

Однако кристаллы времени настолько необычны, что в природе их, скорее всего, не существует. Потенциал этой формы материи пока непонятен до конца, но уже сейчас учёные предполагают, что кристаллы времени можно использовать для сверхточных часов и гироскопов. Также с их помощью можно будет решить проблему декогеренции — «утечки» квантовой информации в окружающую среду, которая сейчас не даёт создать полноценные работающие квантовые процессоры и память.